Los skyrmions magnéticos son remolinos de magnetización extremadamente pequeños y estables, a menudo denominados "cuasipartículas topológicas", ya que una estabilidad emergente abarca este conjunto de espín. Como tal, los skyrmions se pueden manipular manteniendo su forma. En películas delgadas ferromagnéticas, se pueden crear convenientemente con un pulso de corriente eléctrica o, incluso más rápido, con un pulso de láser, aunque, hasta ahora, solo en posiciones aleatorias en el material. Los skyrmions son científicamente interesantes desde dos perspectivas:por un lado, los skyrmions magnéticos se conciben como portadores de información en la tecnología de la información del futuro. Por otro lado, los skyrmions en películas magnéticas delgadas pueden actuar como un banco de pruebas ideal para estudiar la dinámica de cuasipartículas magnéticas topológicamente no triviales.

Sin embargo, para avanzar en este campo, se requiere una generación confiable del skyrmion magnético en posiciones controladas. Un equipo de investigadores, dirigido por el Instituto Max Born, ha logrado ahora un control total a escala nanométrica de la generación de skyrmion mediante dos enfoques independientes que emplean He ⁺ -Irradiación de iones o uso de máscaras reflectantes en la parte trasera.

En los últimos años, se han reportado grandes avances en la generación, aniquilación y movimiento de skyrmions magnéticos en películas delgadas magnéticas. Una herramienta principal para investigar estas texturas magnéticas de escala nanométrica a micrométrica es obtener imágenes de ellas directamente, ya sea con luz visible o rayos X. Si queremos estudiar las propiedades dinámicas junto con las características espaciales, debemos grabar una película que consta de muchos cuadros de imagen. Sin embargo, es casi imposible grabar directamente una película Skyrmion en las escalas de tiempo relevantes de nanosegundos o incluso picosegundos:el tiempo de adquisición requerido para un solo cuadro suele ser demasiado largo.

Este problema se resuelve comúnmente empleando mediciones estroboscópicas repetitivas, los llamados "experimentos de bomba-sonda", donde el mismo proceso se repite una y otra vez mientras se obtienen imágenes. Para permitir tales mediciones con resolución temporal, la dinámica del skyrmion magnético debe ser controlable y determinista. Un equipo de investigadores dirigido por el Instituto Max Born ahora ha establecido dos métodos para crear skyrmions de manera confiable en las posiciones deseadas y para guiar su movimiento:pasos esenciales para grabar videos de skymions en movimiento.

Un primer método se basa en la irradiación de la película magnética que aloja a los skyrmions con un haz de iones de helio enfocado para crear de manera flexible patrones de diferentes formas y tamaños en el material magnético. Es importante destacar que esta modificación local con iones muy ligeros solo afecta las propiedades magnéticas del material mientras la película permanece estructuralmente intacta. Empleando iones de helio, es posible predefinir las posiciones en las que aparecen los skyrmions después de activar su creación con un pulso corto de corriente eléctrica o luz láser (consulte la Fig. 1, donde los skyrmions se nuclean en dos filas de puntos aislados).

En particular, la modificación magnética resulta ser lo suficientemente suave como para permitir incluso un desprendimiento controlado del skyrmion de su sitio de generación y su posterior movimiento sin obstáculos. Además, al combinar un sitio de creación de skyrmion de este tipo con un canal guía, el equipo pudo mostrar el movimiento continuo de un skyrmion magnético impulsado por pulsos de corriente eléctrica de decenas de micrómetros de ida y vuelta en la llamada pista de carreras magnética, suprimiendo por completo cualquier movimiento no deseado. movimiento lateral, que es intrínseco a los skyrmions impulsados ​​por corriente.

En un segundo enfoque para predefinir los sitios de nucleación de skymion, los investigadores diseñaron máscaras reflectantes con patrones nanométricos en la parte posterior del material magnético. Estas máscaras permiten controlar las amplitudes de excitación alcanzadas al golpear la película magnética con un láser, lo que da como resultado una precisión de escala nanométrica en la distribución espacial de los skyrmions magnéticos creados (ver Fig. 1, donde los skyrmions se nuclean en una cuadrícula cuadrada).

Como las máscaras se preparan en la parte posterior de la película magnética opuesta a la superficie iluminada con láser, el enfoque retiene el acceso frontal libre a la película magnética para, por ejemplo, la detección de los skyrmions. La aplicación de este enfoque de máscara trasera con su acceso sin obstáculos a la película magnética se puede transferir fácilmente a otros fenómenos de conmutación fotoinducidos para agregar control nanométrico en las áreas conmutadas.

Los resultados de estos estudios, publicados en Nano Letters y Revisión física B , también puede afectar la investigación sobre conceptos novedosos de computación y almacenamiento de datos. Durante las últimas décadas, hemos observado una demanda cada vez mayor de densidades de almacenamiento de datos y capacidades informáticas eficientes, lo que suscitó un gran interés industrial en la exploración de efectos magnéticos que están activos en escalas ultrarrápidas y ultrapequeñas para aplicaciones tecnológicas. Un posible candidato como portador de información de próxima generación es el skyrmion magnético. Con el nivel de control alcanzado para la generación y el movimiento de skyrmion y el potencial para una miniaturización aún mayor, la tecnología puede, en última instancia, allanar el camino para posibles dispositivos futuros, como memorias de carreras de skyrmion, registros de desplazamiento y puertas lógicas de skyrmion. + Explora más

Manipulación determinísticamente integrada de skyrmions magnéticos lograda en un dispositivo nanoestructurado